JP2009112121A - 回転子およびそれを含むモータ - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで、表面磁束密度を大きくするとともに好ましい表面磁束密度分布を得ることができ、かつ機械的に高い強度を得ることができる、回転子およびそれを含むモータを提供する。
【解決手段】モータ１０は、回転子１２および固定子１４を含む。いわゆるＩＰＭ型の回転子１２は、ヨーク１６、複数の第１永久磁石１８および複数の第２永久磁石２０を含む。ヨーク１６の外周には、複数の溝２４が設けられることによって複数の磁極面２６が設けられる。複数の磁極面２６にはそれぞれ、２つの第１永久磁石１８によって矢印Ｂ方向に交互に極性の異なる磁極が設けられる。第２永久磁石２０は、溝２４の第２配置部３０に配置される。第２永久磁石２０の磁化方向は、Ｓ極を有する磁極面２６からＮ極を有する磁極面２６に向けてヨーク１６の内周側に湾曲して延びる向きに設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子およびそれを含むモータに関し、より特定的には、ヨークの外周に磁極面が設けられる回転子およびそれを含むモータに関する。

一般に、エアコンのコンプレッサや電気自動車等のモータには、ヨーク内に永久磁石が配置されることによってヨークの外周に磁極面が設けられる回転子を用いることが知られている。このようないわゆる永久磁石埋め込み（ＩＰＭ：Interior Permanent Magnet）型の回転子は、表面磁石（ＳＰＭ：Surface Permanent Magnet）型の回転子に比べて、高強度である反面、ヨーク内で磁束が短絡してしまうために表面磁束密度が小さくなるという欠点がある。

従来、ＩＰＭ型の回転子において表面磁束密度を大きくするために、たとえば図１３に示す回転子１ａや図１４に示す回転子１ｂ等が提案されている。図１３の回転子１ａでは、ヨーク２ａ内で周方向に並ぶ複数の永久磁石３ａの間にヨーク２ａの外周側から切り欠き４が設けられる。これによって、ヨーク内での磁束の短絡を抑えることができる。また、図１４の回転子１ｂでは、ヨーク２ｂ内で周方向に並ぶ複数の永久磁石３ｂにおいて、外周側に開くＶ字状に配置される２つの永久磁石３ｂの間に空隙５が設けられる。これによって、ヨーク内での磁束の短絡を抑えることができる。しかし、これらの技術では、切り欠き４や空隙５を設けることによって、ヨークの機械的な強度が低くなるという問題があった。このように、ＩＰＭ型の回転子では、表面磁束密度を大きくするとともに機械的に高い強度を得ることが困難であった。

また、一般に、回転子の表面磁束密度分布が正弦波状に近いほど、トルク脈動が少なく効率のよいモータが得られることが知られている。通常、ＩＰＭ型の回転子には、表面磁束密度を大きくするために磁力の大きい希土類焼結磁石が用いられる。製造方法等の理由から、希土類焼結磁石は単純な直方体等に形成されることが多く、希土類焼結磁石の磁化方向はその表面に対して垂直または平行であることが多い。このような単純な形状および磁化方向の希土類焼結磁石が用いられる回転子では、希土類焼結磁石の位置やヨークの形状のみでは表面磁束密度分布を正弦波状にすることが困難であった。つまり、ＩＰＭ型の回転子では、表面磁束密度を大きくするとともに好ましい表面磁束密度分布を得ることが困難であった。

上述の課題を解決するために、焼結磁石とボンド磁石とを使用した種々の回転子が提案されている。たとえば、特許文献１には、それぞれ極異方性を有する複数の円弧状の焼結磁石を回転軸の外周に配置し、これらをボンド磁石で覆った回転子が開示されている。また、特許文献２には、回転軸の外周に極異方性を有する多磁極のボンド磁石を設け、当該ボンド磁石に焼結磁石を嵌合させた回転子が開示されている。特許文献１および２の回転子では、表面磁束密度を大きくするとともに好ましい表面磁束密度分布を得ることができ、かつ機械的に高強度を得ることができると考えられる。
また、特許文献３には、外周側に円弧状に膨らむようにヨークに形成された貫通孔において、内周側に焼結磁石を配置するとともに外周側にボンド磁石を配置することによって、表面磁束密度分布を正弦波状にする回転子が開示されている。さらに、特許文献４には、ヨークに形成された貫通孔において、外周側にナノコンポジット磁石粉末を用いたボンド磁石を配置するとともに内周側に焼結磁石を配置する回転子が開示されている。
特開２００５−５７９５５号公報 特開２００４−２４２３７８号公報 特開２００４−２１５３９５号公報 特許第３５４１５８２号公報

しかし、特許文献１および２の回転子では、大量のボンド磁石が必要であるのでコストが上昇してしまう。特許文献３の回転子では、正弦波状の表面磁束密度分布は得られるものの従来と同様にヨーク内で磁束が短絡してしまうので表面磁束密度が小さくなってしまう。また、特許文献４の回転子は、弱め界磁制御を容易にするためのものであって、表面磁束密度を大きくするとともに正弦波状の表面磁束密度分布を得ることや機械的に高い強度を得るという課題を解決するものではない。

それゆえに、本発明の主たる目的は、低コストで、表面磁束密度を大きくするとともに好ましい表面磁束密度分布を得ることができ、かつ機械的に高い強度を得ることができる、回転子およびそれを含むモータを提供することである。

上述の目的を達成するために、請求項１に記載の回転子は、筒状に形成され、軸方向に延びる複数の溝と前記溝を介して隣り合う複数の磁極面とを外周に有するヨーク、前記複数の磁極面にそれぞれ交互に極性の異なる磁極を設けるように前記ヨークに配置される複数の第１永久磁石、および前記複数の溝にそれぞれ配置され、それぞれの磁化方向が負極を有する前記磁極面から正極を有する前記磁極面に向けて延びる向きに設定される複数の第２永久磁石を備える。

請求項２に記載の回転子は、請求項１に記載の回転子において、前記第２永久磁石を前記ヨークの径方向に位置決めするために、前記溝および前記第２永久磁石には、一方に凸部が設けられ他方に前記凸部に対応する凹部が設けられることを特徴とする。

請求項３に記載の回転子は、請求項１または２に記載の回転子において、前記溝には、表面粗化処理が施されることを特徴とする。

請求項４に記載の回転子は、請求項１から３のいずれかに記載の回転子において、前記第２永久磁石は、ハード磁性相とソフト磁性相とを有するナノコンポジット磁石粉末を含むボンド磁石であることを特徴とする。

請求項５に記載の回転子は、請求項１から４のいずれかに記載の回転子において、前記第２永久磁石は、射出成形によって得られるボンド磁石であることを特徴とする。

請求項６に記載のモータは、請求項１から５のいずれかに記載の回転子を含むことを特徴とする。

請求項１に記載の回転子では、ヨークの外周に軸方向に延びる複数の溝が設けられ、溝を介して隣り合う２つの磁極面に互いに極性の異なる磁極が設けられる。このように２つの磁極面が溝に配置された第２永久磁石を介して隣り合うことによって、第１永久磁石からの磁束がヨーク内で当該第１永久磁石または他の第１永久磁石に収束することを抑えることができる。つまり、ヨーク内での磁束の短絡を抑えることができる。したがって、ヨークの表面磁束密度を大きくできる。また、ヨークの各溝に配置される第２永久磁石の磁化方向が負極（Ｓ極）を有する磁極面から正極（Ｎ極）を有する磁極面に向けて延びるように設定されることによって、ヨーク内において負極を有する磁極面から正極を有する磁極面により多くの磁束を案内することができる。これによって、隣り合う２つの磁極面の一方からより多くの磁束を放出させて他方に収束させることができ、表面磁束密度をより大きくできる。また、その磁化方向が上述のように設定される第２永久磁石が各溝に配置されることによって、ヨークの表面磁束密度分布を滑らかにでき、ヨークの表面磁束密度分布を正弦波状に近づけることができる。さらに、各溝に第２永久磁石が配置されることによって、各第２永久磁石がヨークの補強部材としても機能し、ヨークの強度を溝がない場合と同程度にできる。このように、大量のボンド磁石を用いずともヨークの溝に第２永久磁石を配置するのみで、低コストで、表面磁束密度を大きくするとともに好ましい表面磁束密度分布を得ることができ、かつ機械的に高い強度を得ることができる。

請求項２に記載の回転子では、ヨークの溝および第２永久磁石の一方に設けられる凸部が他方に設けられる凹部に嵌合することによって、第２永久磁石がヨークの径方向に位置決めされる。これによって、回転に伴う遠心力によって第２永久磁石が外れることを防止できる。

請求項３に記載の回転子では、ヨークの溝に表面粗化処理が施されることによって、ヨークの溝と第２永久磁石との密着強度が大きくなり、第２永久磁石をヨークの溝に対してずれにくくできる。

請求項４に記載の回転子では、第２永久磁石として、高保磁力のハード磁性相と高残留磁束密度のソフト磁性相と有するナノコンポジット磁石粉末を含むボンド磁石が用いられる。このようなボンド磁石では、ナノコンポジット磁石粉末におけるソフト磁性相の体積比率を調整することによってリコイル透磁率を容易に大きくできる。したがって、このようなボンド磁石を第２永久磁石として用いることによって、小さな反磁界で容易に表面磁束密度を小さくできる。ひいては、後述のようにモータにおいて弱め界磁制御を容易にできる。

請求項５に記載の回転子では、射出成形によって得られる高強度なボンド磁石を第２永久磁石として用いることによって、ヨークひいては当該回転子を機械的により高強度にできる。

請求項６に記載のモータでは、本発明の回転子を用いることによって、容易に、高出力を得ることができるとともに高い耐久性を得ることができ、かつ効率よく駆動できる。

本発明によれば、低コストで、表面磁束密度を大きくするとともに好ましい表面磁束密度分布を得ることができ、かつ機械的に高い強度を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１に本発明の一実施形態のモータ１０を示す。モータ１０は、回転子（ロータ）１２および固定子（ステータ）１４を含む。
回転子１２は、いわゆる永久磁石埋め込み（ＩＰＭ：Interior Permanent Magnet）型に構成され、ヨーク（ロータコア）１６、複数（ここでは１６個）の第１永久磁石１８および複数（ここでは８個）の第２永久磁石２０を含む。
なお、図１には、第１永久磁石１８および第２永久磁石２０にそれぞれの磁化方向が実線矢印で示されている。また、図１には、理解を容易にするために固定子１４の一部のみが示されている。

さらに図２を参照して、回転子１２について詳細に説明する。回転子１２のヨーク１６は、中空円板状の珪素鋼板２２を複数（たとえば５００枚）積層することによって円筒状に形成される。軟磁性材料である複数の珪素鋼板２２はそれぞれ、矢印Ａで示すヨーク１６の軸方向（図２参照）に直交する両主面にそれぞれ絶縁皮膜を有する。これによって、回転子１２の回転に伴うヨーク１６内での渦電流の発生を抑えることができ、渦電流損を低減できる。
なお、図２には、簡略化のために一部の珪素鋼板２２のみが示されている。

円筒状のヨーク１６の内周側には、回転軸（不図示）が挿通される。また、ヨーク１６の外周には、それぞれ矢印Ａで示す軸方向に延びる複数（ここでは８個）の溝２４が矢印Ｂで示す周方向に等間隔に設けられる。このように、ヨーク１６に複数の溝２４が設けられることによって、ヨーク１６の外周には複数（ここでは８個）の磁極面２６が矢印Ｂで示す周方向に等間隔に設けられる。

複数の溝２４はそれぞれ、第１永久磁石１８をそれぞれ配置するための２つの第１配置部２８、および第２永久磁石２０を配置するための第２配置部３０を含む。
図１に示すように、溝２４の２つの第１配置部２８は、Ｖ字状を呈するようにそれぞれヨーク１６の内周側に延びた後に、他方の第１配置部２８とは反対側にヨーク１６の矢印Ｃで示す径方向に略直交する方向に延びる。図２に示すように、溝２４の２つの第１配置部２８にはそれぞれ、直方体（板状）に形成される第１永久磁石１８が配置される。したがって、図１に示すように、１つの溝２４に配置される２つの第１永久磁石１８は、ヨーク１６の内周側に開くＶ字状を呈する。

なお、ヨーク１６の径方向は、図１および図２に矢印Ｃで示す方向に限定されない。矢印Ａで示す軸方向（図２参照）に直交するようにヨーク１６の主面（端面）の中心から外周側に向けて延びる方向の或る方向が径方向であることはいうまでもない。

第１永久磁石１８は、たとえば接着剤等を用いて第１配置部２８に固定される。第１配置部２８の内周側端部が矢印Ｃで示す径方向に略直交する方向に延びることによって、ヨーク１６と第１永久磁石１８との間には空隙３２（図１参照）が形成される。それぞれ別の溝２４に配置され、空隙３２を介して隣り合う２つの第１永久磁石１８は、ヨーク１６の外周側に開くＶ字状を呈する。

第１永久磁石１８には、残留磁束密度（Ｂ_r）が１．１〜１．５Ｔ（好ましくは１．２〜１．３Ｔ）であり、保磁力（Ｈ_cJ）が１５００〜３０００ｋＡ／ｍ（好ましくは２０００〜２５００ｋＡ／ｍ）である希土類焼結磁石が用いられる。具体的には、第１永久磁石１８として、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類焼結磁石の一例であるＮＥＯＭＡＸ（登録商標：日立金属株式会社製）等が用いられる。

図１に示すように、第１永久磁石１８の磁化方向は、端面の短手方向に延びる向きに設定される。１つの溝２４に配置される２つの第１永久磁石１８の磁化方向は、一方の第１永久磁石１８の磁化方向が外周向きであれば他方の第１永久磁石１８の磁化方向が内周向きになるように設定される。また、空隙３２を介して隣り合う２つの第１永久磁石１８の磁化方向は、互いに外周向きまたは互いに内周向きになるように設定される。複数の第１永久磁石１８はそれぞれ、予め着磁しておいてもよいし、ヨーク１６に配置した後に着磁するようにしてもよい。ヨーク１６への配置後に第１永久磁石１８を着磁するようにすれば、回転子１２の組み立てを容易にできる。

このようにヨーク１６に複数の第１永久磁石１８が設けられることによって、複数の磁極面２６にはそれぞれ、矢印Ｂで示す周方向に交互に極性の異なる磁極が設けられる。詳しくは、空隙３２を介して隣り合う２つの第１永久磁石１８の磁化方向が外周向きであれば、当該２つの第１永久磁石１８の外周側の磁極面２６には正極（Ｎ極）が設けられ、当該磁極面２６からは図１に破線で示すように磁束が放出される。一方、空隙３２を介して隣り合う２つの第１永久磁石１８の磁化方向が内周向きであれば、当該２つの第１永久磁石１８の外周側の磁極面２６には負極（Ｓ極）が設けられ、当該磁極面２６には図１に破線で示すように磁束が収束する。

溝２４の第２配置部３０は、２つの第１配置部２８にそれぞれ第１永久磁石１８を配置した状態で、外周側の開口部から内周側に向かうにつれて矢印Ｂで示す周方向の寸法が小さくなった後に、第１永久磁石１８の角部よりも内周側において、内周側に向かうにつれて矢印Ｂで示す周方向の寸法が大きくなるように設けられる。これによって、第２配置部３０には、２つの第１配置部２８にそれぞれ第１永久磁石１８を配置した状態で、矢印Ｂで示す周方向に並ぶ２つの凹部３４が設けられる。さらに、第２配置部３０には、２つの凹部３４よりも内周側に凹部３６が設けられる。凹部３６は、矢印Ｂで示す周方向の寸法が内周側に向かうにつれて大きくなるように設けられる。

第２配置部３０の表面には、ブラスト処理やピーニング処理等の物理的な表面粗化処理、および燐酸塩処理等の化学的な表面粗化処理の少なくともいずれか一方が施される。本実施形態では、ブラスト処理の後に燐酸塩処理が施され、第２配置部３０の表面が梨地状になる。

このような第２配置部３０には、第２永久磁石２０が配置される。第２永久磁石２０は、第２配置部３０の形状に対応し、第２配置部３０の２つの凹部３４にそれぞれ嵌合する２つの凸部３８、および第２配置部３０の凹部３６に嵌合する凸部４０を有する。また、第２永久磁石の一側面（外周面の一部）は、ヨーク１６の磁極面２６と面一になる。

第２永久磁石２０は、たとえば、ヨーク１６を金型の一部として射出成形されたボンド磁石であり、次のようにして得られる。まず、溝２４の２つの第１配置部２８にそれぞれ第１永久磁石１８を配置した状態で、溝２４をヨーク１６の外周側および一方端面側から塞ぐことによってキャビティを形成する。そして、磁石粉末、熱可塑性樹脂バインダ、および微量の滑剤を混合したコンパウンドを加熱して当該キャビティに加圧注入する。このような射出成形によって、第２配置部３０に嵌合する第２永久磁石２０が得られる。このようにヨーク１６を金型の一部として用いることによって、容易に第２永久磁石２０を射出成形でき、第２永久磁石２０を第２配置部３０に配置する手間を省くことができる。

第２永久磁石２０の材料であるコンパウンドには、成形の容易性等の観点から高い流動性が要求されるとともに磁気特性の観点から磁石粉末の高い充填率が要求される。このために、コンパウンドには、その平均粒径が１０〜１００μｍ（好ましくは３０〜８０μｍ）の磁石粉末が用いられる。また、コンパウンドに用いられる磁石粉末には、第２永久磁石２０の電気抵抗を高めるために絶縁皮膜処理が施される。さらに、コンパウンドに用いられる磁石粉末には、粒度分布を調整するためにカップリング剤（分散剤）が塗布される。二次凝集を抑えるためのカップリング剤としては、シラン系やチタネート系のものが好適に用いられる。なお、磁石粉末への絶縁皮膜処理は省略してもよい。磁石粉末へのカップリング剤の塗布についても同様である。

本実施形態においては、コンパウンドひいては第２永久磁石２０の磁石粉末として、ハード磁性相（硬磁性相）とソフト磁性相（軟磁性相）とがナノメータ単位で混在するナノコンポジット磁石粉末が用いられる。具体的には、第２永久磁石２０の磁石粉末として、Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型結晶相からなるハード磁性相と、α−ＦｅやＦｅ₃Ｂ等のソフト磁性相とを有するＳＰＲＡＸ（登録商標：日立金属株式会社製）が用いられる。このような希土類ナノコンポジット磁石粉末を用いた第２永久磁石２０では、残留磁束密度（Ｂ_r）が０．４〜０．８Ｔ（好ましくは０．５〜０．６Ｔ）になり、第２永久磁石２０の保磁力（Ｈ_cJ）が４００〜１０００ｋＡ／ｍ（好ましくは６００〜８００ｋＡ／ｍ）になる。

また、第２永久磁石２０では、このようなナノコンポジット磁石粉末におけるソフト磁性相の体積比率を調整することによって、容易にリコイル透磁率を調整できる。図３に、Ｒ１で第１永久磁石１８のリコイル線を示し、Ｒ２で第２永久磁石２０のリコイル線を示す。略Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ（ハード磁性相）のみからなる第１永久磁石１８では、リコイル透磁率（磁束密度／反磁界の強度）が１．０５程度である。これに対して、第２永久磁石２０では、ナノコンポジット磁石粉末におけるソフト磁性相の体積比率を大きくすることによって、リコイル透磁率が１．３程度に調整される。このように、ナノコンポジット磁石粉末を用いた第２永久磁石２０では、容易にリコイル透磁率を大きくできる。

また、コンパウンドひいては第２永久磁石２０の熱可塑性樹脂バインダとしては、ポリアミド（ＰＡ）またはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂を含有するものが好適に用いられる。熱可塑性樹脂バインダにおける樹脂の含有率は、磁気特性と第２永久磁石２０の機械的な強度とを考慮して、５〜１５ｗｔ％に調整され、より好ましくは５〜１０ｗｔ％に調整される。

本実施形態では、複数の第２永久磁石２０がそれぞれヨーク１６を金型の一部として射出成形された後に着磁され、図１に示すように、複数の第２永久磁石２０の磁化方向がそれぞれ、Ｓ極を有する磁極面２６からＮ極を有する磁極面２６に向けてヨーク１６の内周側に湾曲して延びる向きに設定される。

固定子１４は、円筒状に形成され、回転子１２を収容するヨーク（ステータコア）４０を含む。ヨーク４０の内周面には、Ｔ字状のティース４２が矢印Ｂで示す周方向に等間隔に設けられる。ティース４２の周囲にはコイル４４が巻き付けられる。

モータ１０では、各ティース４２のコイル４４に交番電流を通電することによって回転磁界を発生させる。そして、回転磁界とヨーク１６の表面に生じる磁界との相互作用によって、回転子１２を矢印Ｂで示す周方向の一方向に回転させるマグネットトルクを発生させる。また、回転磁界にヨーク１６の磁極面２６（突極）が吸引されることによって、回転子１２を矢印Ｂで示す周方向の一方向に回転させるリラクタンストルクが発生する。したがって、モータ１０では、マグネットトルクとリラクタンストルクとの合成トルクによって回転子１２を矢印Ｂで示す周方向の一方向に回転させる。このようなモータ１０では、マグネットトルクとリラクタンストルクとによって回転子１２を回転させることができるので、表面磁石（ＳＰＭ：Surface Permanent Magnet）型の回転子を用いることでリラクタンストルクを発生させることができないモータに比べて効率よく駆動できる。

このようなモータ１０の回転子１２では、２つの磁極面２６が溝２４に配置される第２永久磁石２０を介して隣り合うことによって、第１永久磁石１８からの磁束がヨーク１６内で当該第１永久磁石１８または他の第１永久磁石１８に収束することを抑えることができる。つまり、ヨーク１６内での磁束の短絡を抑えることができる。したがって、ヨーク１６の外周近傍の磁束密度（以下、表面磁束密度という）を大きくできる。また、各溝２４に配置される第２永久磁石２０の磁化方向が、Ｓ極を有する磁極面２６からＮ極を有する磁極面２６に向けて延びるように設定されることによって、ヨーク１６内においてＳ極を有する磁極面２６からＮ極を有する磁極面２６により多くの磁束を案内することができる。これによって、隣り合う２つの磁極面２６の一方からより多くの磁束を放出させて他方に収束させることができ、ヨーク１６の表面磁束密度をより大きくできる。また、各溝２４にその磁化方向が上述のように設定される第２永久磁石２０の一側面が磁極面２６と面一になるように配置されることによって、ヨーク１６の表面磁束密度分布を滑らかにでき、ヨーク１６の表面磁束密度分布を正弦波状にできる。さらに、各溝２４に第２永久磁石２０を配置することによって、各第２永久磁石２０がヨーク１６の補強部材としても機能し、ヨーク１６の強度を溝がない場合と同程度にできる。このように、ヨーク１６の溝２４に第２永久磁石２０を配置するのみで、低コストで、表面磁束密度を大きくするとともに好ましい表面磁束密度分布を得ることができ、かつ機械的に高い強度を得ることができる。

また、ヨーク１６と第１永久磁石１８との間に空隙３２が設けられることによっても、ヨーク１６内での磁束の短絡を抑えることができ、ヨーク１６の表面磁束密度を大きくできる。

さらに、空隙３２を介して隣り合う２つの第１永久磁石１８をＶ字状に配置することによって、その磁化方向に直交する側面の面積が大きな第１永久磁石１８をヨーク１６内に配置でき、ヨーク１６の表面磁束密度を大きくできる。

溝２４の２つの凹部３４に第２永久磁石２０の２つの凸部３８がそれぞれ嵌合しかつ溝２４の凹部３６に第２永久磁石２０の凸部４０が嵌合することによって、第２永久磁石２０が矢印Ｃで示す径方向に位置決めされる。これによって、回転子１２の回転に伴う遠心力によって第２永久磁石２０が外れることを防止できる。

溝２４の第２配置部３０にブラスト処理および燐塩酸処理が施されることによって、第２配置部３０の表面と第２永久磁石２０との密着強度が大きくなり、第２永久磁石２０を溝２４に対してずれにくくできる。

第１永久磁石１８として強力な磁力を有する希土類焼結磁石を用いることによって、ヨーク１６の表面磁束密度を大きくでき、モータ１０の出力を大きくできる。また、モータ１０では、所定の回転数以上になれば回転数をより大きくするために、コイル４４に通電する電流を逆位相に制御することによってヨーク１６の表面の磁界強度を小さくする弱め界磁制御が行われる。第２永久磁石２０がナノコンポジット磁石粉末を用いたリコイル透磁率の大きいボンド磁石であることによって、弱め界磁制御の際に強度の小さな反磁界で、ヨーク１６の表面磁束密度を小さくでき、ヨーク１６の外周近傍の磁界強度をより小さくできる。このように強度の小さな反磁界で容易に弱め界磁制御できるので、第２永久磁石２０としてリコイル透磁率が小さな希土類焼結磁石等を用いる場合に比べて、第１永久磁石１８の減磁を抑えることができる。

また、渦電流は主にヨーク１６の外周近傍で発生することから、絶縁皮膜を有する磁石粉末を用いることで電気抵抗が高められた第２永久磁石２０をヨーク１６の外周に露出させることによって、渦電流損を低減できる。

第２永久磁石２０が射出成形によって得られる高強度なボンド磁石であることによって、ヨーク１６ひいては回転子１２を機械的により高強度にできる。

モータ１０では、回転子１２を用いることによって、容易に、高出力を得ることができるとともに高い耐久性を得ることができ、かつ効率よく駆動できる。

なお、第２永久磁石２０のリコイル透磁率は、第１永久磁石１８のリコイル透磁率よりも大きければ特に限定されず、たとえば１．２〜１．７の範囲で任意に設定できる。リコイル透磁率を大きくしすぎると減磁しやすくなってしまうので、弱め界磁制御の容易さと減磁のしにくさとを考慮して、第２永久磁石２０のリコイル透磁率は１．３〜１．５に設定することが好ましい。

また、上述の実施形態では、表面粗化処理として溝２４の第２配置部３０にブラスト処理および燐酸塩処理を施す場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。ブラスト処理やピーニング処理等の物理的な表面粗化処理、および燐塩酸処理等の化学的な表面粗化処理のいずれか一方のみを第２配置部３０に施すようにしてもよいし、表面粗化処理を第２配置部３０に施さないようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、ヨーク１６を金型の一部として第２永久磁石２０を射出成形する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。たとえば別の射出成形装置によって射出成形された第２永久磁石２０をヨーク１６の溝２４に嵌合するようにしてもよい。この場合、第２永久磁石２０は、予め着磁しておいてもよいし、ヨーク１６に配置した後に着磁するようにしてもよい。ヨーク１６への配置後に第２永久磁石２０を着磁するようにすれば、回転子１２の組み立てを容易にできる。

さらに、複数の第２永久磁石２０は、ヨーク１６の一方の主面側に配置される環状部４５（図２に二点鎖線で示す）によって互いに連結されていてもよい。つまり、複数の第２永久磁石２０は一体的に設けられていてもよい。第１永久磁石１８についても同様である。

なお、ヨークの複数の磁極面に極性の異なる磁極を交互に設けることができる限り、第１永久磁石の配置態様、ヨークの外周に設けられる溝の形状ひいては第２永久磁石の形状、および第１永久磁石と第２永久磁石との位置関係は任意に設定できる。

たとえば、以下に説明する回転子１２ａのように構成してもよい。
図４に本発明の回転子の他の例であるＩＰＭ型の回転子１２ａを示す。回転子１２ａは、ヨーク１６ａ、複数（ここでは８個）の第１永久磁石１８ａおよび複数（ここでは８個）の第２永久磁石２０ａを含む。

さらに図５を参照して、上述のヨーク１６と同様に、ヨーク１６ａは複数の珪素鋼板２２ａを積層することによって円筒状に形成され、ヨーク１６ａの外周には矢印Ａで示す軸方向に延びる複数の溝２４ａおよび複数の磁極面２６ａが設けられる。また、ヨーク１６ａには、隣り合う２つの溝２４ａの間に矢印Ａで示す軸方向に延びる貫通孔４６が設けられる。貫通孔４６の開口部は、隣り合う２つの溝２４ａの一方から他方に向けて矢印Ｃで示す径方向に略直交する方向に延びるように設けられる。このような貫通孔４６には、板状の第１永久磁石１８ａが配置（挿入）される。第１永久磁石１８ａには、上述の第１永久磁石１８と同じ種類の磁石が用いられる。

第１永久磁石１８ａの磁化方向は、端面の短手方向に延びる向きに設定される。また、矢印Ｂで示す周方向に隣り合う２つの第１永久磁石１８ａの磁化方向は、一方の第１永久磁石１８ａの磁化方向が外周向きであれば他方の第１永久磁石１８ａの磁化方向が内周向きになるように設定される。これによって、複数の磁極面２６ａにはそれぞれ矢印Ｂで示す周方向に交互に極性の異なる磁極が設けられる。

図４に示すように、溝２４ａは、外周側の開口部から内周側に向かうにつれて矢印Ｂで示す周方向の寸法が大きくなった後に、貫通孔４６ひいては第１永久磁石１８ａを避けて矢印Ｂで示す周方向の寸法が小さくなるように設けられる。これによって溝２４ａには、第１永久磁石１８ａよりも外周側に矢印Ｂで示す周方向に並ぶ２つの凹部３４ａが設けられる。さらに、溝２４ａには、第１永久磁石１８ａよりも内周側に凹部３６ａが設けられる。凹部３６ａは、矢印Ｂで示す周方向の寸法が内周側に向かうにつれて大きくなるように設けられる。溝２４ａには、上述の第２配置部３０と同様の表面粗化処理が施される。

第２永久磁石２０ａは、上述の第２永久磁石２０と同様に射出成形され、溝２４ａの２つの凹部３４ａにそれぞれ嵌合する２つの凸部３８ａ、および凹部３６ａに嵌合する凸部４０ａを有する。第２永久磁石２０の材料としては、上述の第２永久磁石２０と同じ種類のナノコンポジット磁石粉末と熱可塑性樹脂バインダとが用いられる。

第２永久磁石２０ａの磁化方向は、上述の第２永久磁石２０と同様に、Ｓ極を有する磁極面２６ａからＮ極を有する磁極面２６ａに向けて内周側に湾曲して延びる向きに設定される。

このような回転子１２ａも上述の回転子１２と同様の効果を奏する。ヨークの磁極面が少数である場合は、各磁極面の面積が大きくなり、ヨークの径方向に直交する方向に第１永久磁石の寸法を大きくできる。したがって、第１永久磁石１８ａが矢印Ｃで示す径方向に略直交する方向に延びる回転子１２ａの構成は、ヨークに少数の磁極面を設ける場合に好適に用いられる。

また、以下に説明する回転子１２ｂのように構成してもよい。
図６に本発明の回転子のその他の例であるＩＰＭ型の回転子１２ｂを示す。回転子１２ｂは、ヨーク１６ｂ、複数（ここでは８個）の第１永久磁石１８ｂおよび複数（ここでは８個）の第２永久磁石２０ｂを含む。

さらに図７を参照して、上述のヨーク１６と同様に、ヨーク１６ｂは複数の珪素鋼板２２ｂを積層することによって円筒状に形成され、ヨーク１６ｂの外周には矢印Ａで示す軸方向に延びる複数の溝２４ｂおよび複数の磁極面２６ｂが設けられる。

溝２４ｂは、第１永久磁石１８ｂを配置するための第１配置部２８ａ、および第２永久磁石２０ｂを配置するための第２配置部３０ａを含む。
溝２４ｂの第１配置部２８ａは、外周側に開口する第２配置部３０ａから矢印Ｃで示す径方向に延びる。第１永久磁石１８ｂは、板状に形成され、第１配置部２８ａから半分程度が第２配置部３０ａにはみ出すように第１配置部２８ａに配置される。第１永久磁石１８ｂには、上述の第１永久磁石１８と同じ種類の磁石が用いられる。

第１永久磁石１８ｂの磁化方向は、端面の短手方向に延びる向きに設定される。また、隣り合う２つの第１永久磁石１８ｂの磁化方向は、一方の第１永久磁石１８ｂと他方の第１永久磁石１８ｂとで矢印Ｂで示す周方向において互いに逆向きになるように設定される。これによって、複数の磁極面２６ｂにはそれぞれ矢印Ｂで示す周方向に交互に極性の異なる磁極が設けられる。

図６に示すように、溝２４ｂの第２配置部３０ａは、外周側の開口部から内周側に向かうにつれて矢印Ｂで示す周方向の寸法が小さくなるように設けられる。また、第２配置部３０ａには矢印Ｂで示す周方向に並ぶ２つの凸部４８が設けられる。第２配置部３０ａには、上述の第２配置部３０と同様の表面粗化処理が施される。

第２永久磁石２０ｂは、上述の第２永久磁石２０と同様に射出成形され、第２配置部３０ａの２つの凸部４８がそれぞれ嵌合される２つの凹部５０を有する。第２永久磁石２０ｂの材料としては、上述の第２永久磁石２０と同じ種類のナノコンポジット磁石粉末と熱可塑性樹脂バインダとが用いられる。

第２永久磁石２０ｂの磁化方向は、上述の第２永久磁石２０と同様に、Ｓ極を有する磁極面２６ｂからＮ極を有する磁極面２６ｂに向けて内周側に湾曲して延びる向きに設定される。

このような回転子１２ｂも上述の回転子１２と同様の効果を奏する。ヨークに多数の磁極面を設ける場合は、各磁極面の面積が小さくなり、ヨークの径方向に直交する方向に第１永久磁石の寸法を大きくできなくなる。したがって、第１永久磁石１８ｂが矢印Ｃで示す径方向に延びる回転子１２ｂの構成は、ヨークに多数の磁極面を設ける場合に好適に用いられる。

さらに、図８に示す回転子１２ｃのように、回転子１２ｂに第１永久磁石５２を追加するようにしてもよい。回転子１２ｃにおいて、回転子１２ｂと同様に構成される部分については回転子１２ｂと同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

ヨーク１６ｃには、第１永久磁石５２を配置するための貫通孔５４が設けられる。貫通孔５４の開口部は、隣り合う第１永久磁石１８ｂの間で矢印Ｃで示す径方向に略直交する方向に延びるように設けられる。貫通孔５４に配置される第１永久磁石５２は板状に形成され、第１永久磁石５２の磁化方向は端面の短手方向に延びる向きに設定される。複数の第１永久磁石５２の磁化方向はそれぞれ、その外周側の磁極面２６ｂがＮ極を有していれば外周向きに設定され、その外周側の磁極面２６ｂがＳ極を有していれば内周向きに設定される。このように第１永久磁石５２を追加することによって、表面磁束密度をより大きくできる。

なお、上述の各実施形態では、珪素鋼板を積層することによってヨークを構成する場合について説明したが、ヨークはこれに限定されない。たとえば、ヨークとして、軟磁性体粉末と樹脂バインダとを含むコンパウンドを射出成形することによって得られる圧粉磁心を用いてもよい。このような圧粉磁心では、軟磁性体粉末に絶縁皮膜を施すことによってあらゆる方向に電気的絶縁性を持たせることができ、渦電流損をより低減できる。また、このような圧粉磁心と第２永久磁石とを同時に射出成形することによって、ヨーク（圧粉磁心）と第２永久磁石とを一体的に設けてもよい。この場合、第２永久磁石がヨークから外れることはないので、第２永久磁石をたとえば直方体状等の単純な形状にできる。

また、複数の磁石片を接着することによって第１永久磁石を構成するようにしてもよい。この場合、接着剤として電気的絶縁性を有するものを用いることによって、渦電流損をより低減できる。

さらに、上述の各実施形態では、第１永久磁石として希土類焼結磁石を用い、第２永久磁石として希土類ナノコンポジット磁石粉末を含むボンド磁石を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。第１永久磁石に用いる永久磁石の種類、および第２永久磁石に用いる永久磁石の種類は任意に選択できる。

なお、上述の各実施形態では、８個の磁極面を設ける場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。回転子に設ける磁極面ひいては磁極の数は任意に設定できる。

ついで、本発明の回転子１２と図１４に示す従来技術の回転子１ｂとの表面磁束密度分布の比較例について説明する。
図９に回転子１２の表面磁束密度分布を示し、図１０に回転子１ｂの表面磁束密度分布を示す。図９に示す表面磁束密度分布は、図１の状態から矢印Ｂで示す周方向の反時計回りに回転子１２を回転させて、外周側に１ｍｍ離れた位置Ｐ（図１参照）で磁束密度を測定することによって得られたものである。図１０に示す表面磁束密度分布についても同様である。

図９に示すように、回転子１２では、各溝２４に第２永久磁石２０を配置することによって、隣り合う２つの磁極面２６の間（回転角度０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°および３６０°付近の部分）でも表面磁束密度を滑らかに推移させることができ、表面磁束密度分布を正弦波状にできた。その結果、モータ１０において、誘起電圧を図１１に示すように正弦波状に推移させることができ、トルク脈動を低減することができた。つまり、モータ１０を効率よく駆動させることができた。

一方、回転子１ｂでは、ヨーク２ｂの外周の磁極間近傍（図１４において一点鎖線で囲む部分）において、Ｎ極を設けるための第１永久磁石３ｂからの磁束がヨーク２ｂ内で当該第１永久磁石３ｂに収束し、また、Ｓ極を設けるための第１永久磁石３ｂに磁束が集中してしまう。このために、図１０に示すように、回転角度０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°および３６０°付近の部分で磁束密度が脈動し、表面磁束密度分布が正弦波状にならなかった。その結果、図１２に示すように、回転子１ｂを用いたモータでは、固定子の鎖交磁束量の時間変化率が大きく変動し、誘起電圧が大きく歪んだ。

また、図９と図１０とを比較して、回転子１２では、効率よくＮ極を有する磁極面２６から磁束を放出させＳ極を有する磁極面２６に収束させることができるので、回転子１ｂに対して表面磁束密度の最大値を１０％程度大きくできた。

このように、回転子１２では、表面磁束密度を大きくするとともに好ましい表面磁束密度分布を得ることができた。その結果、モータ１０を高出力にかつ高効率に駆動させることができた。

本発明の一実施形態を示す平面図解図である。 本発明の回転子の一例を示す斜視図である。 第１永久磁石のリコイル線と第２永久磁石のリコイル線とを示すグラフである。 本発明の回転子の他の例を示す平面図解図である。 図４の回転子の斜視図である。 本発明の回転子のその他の例を示す平面図解図である。 図６の回転子の斜視図である。 本発明の回転子のその他の例を示す平面図解図である。 図１の回転子の表面磁束密度分布を示すグラフである。 従来技術の回転子の表面磁束密度分布を示すグラフである。 図１のモータにおける回転子の回転角度と誘起電圧との関係を示すグラフである。 従来技術の回転子を用いたモータにおける回転子の回転角度と誘起電圧との関係を示すグラフである。 従来技術の回転子の一例を示す平面図である。 従来技術の回転子の他の例を示す平面図である。

符号の説明

１０ モータ
１２，１２ａ〜１２ｃ 回転子
１４ 固定子
１６，１６ａ〜１６ｃ，４０ ヨーク
１８，１８ａ，１８ｂ，５２ 第１永久磁石
２０，２０ａ，２０ｂ 第２永久磁石
２４，２４ａ，２４ｂ 溝
２６，２６ａ，２６ｂ 磁極面
２８，２８ａ 第１配置部
３０，３０ａ 第２配置部
３４，３４ａ，３６，３６ａ，５０ 凹部
３８，３８ａ，４０，４０ａ，４８ 凸部
４４ コイル
４５ 環状部
４６，５４ 貫通孔

Claims (6)

1. 筒状に形成され、軸方向に延びる複数の溝と前記溝を介して隣り合う複数の磁極面とを外周に有するヨーク、
   前記複数の磁極面にそれぞれ交互に極性の異なる磁極を設けるように前記ヨークに配置される複数の第１永久磁石、および
   前記複数の溝にそれぞれ配置され、それぞれの磁化方向が負極を有する前記磁極面から正極を有する前記磁極面に向けて延びる向きに設定される複数の第２永久磁石を備える、回転子。
2. 前記第２永久磁石を前記ヨークの径方向に位置決めするために、前記溝および前記第２永久磁石には、一方に凸部が設けられ他方に前記凸部に対応する凹部が設けられる、請求項１に記載の回転子。
3. 前記溝には、表面粗化処理が施される、請求項１または２に記載の回転子。
4. 前記第２永久磁石は、ハード磁性相とソフト磁性相とを有するナノコンポジット磁石粉末を含むボンド磁石である、請求項１から３のいずれかに記載の回転子。
5. 前記第２永久磁石は、射出成形によって得られるボンド磁石である、請求項１から４のいずれかに記載の回転子。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の回転子を含む、モータ。

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